Penentuan ukuran Kristal (
Penentuan ukuran Kristal (crystallcrystall ii te te ssii zze e ) lapisan tipis PZT ) lapisan tipis PZT dengan metode XRDdengan metode XRD melalui pendekatan persamaan Debye Scherrer
melalui pendekatan persamaan Debye Scherrer
Masruroh
Masruroh1)*1)*, Algafari Bakti manggara, Algafari Bakti manggara3)3), Titus Lapailaka, Titus Lapailaka3)3) dan Rachmat Triandi T dan Rachmat Triandi T2)2) 1)
1)
Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Brawijaya Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Brawijaya
2) 2)
Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Brawijaya Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Brawijaya 3)
3)Program pasca sarjana program studi Kimia, FMIPA, Universitas BrawijayaProgram pasca sarjana program studi Kimia, FMIPA, Universitas Brawijaya *email :
*email : [email protected] [email protected]
Abstrak Abstrak Ukuran kristal (
Ukuran kristal (crystallite sizecrystallite size) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Debye Scherrer) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Debye Scherrer dengan nilai panjang gelombang, intensitas,
dengan nilai panjang gelombang, intensitas, 22θ θ ,, dan FWHM yang dihasilkan dari uji XRD.dan FWHM yang dihasilkan dari uji XRD.
Persamaan Debye Schrerrer menunjukkan bahwa nilai ukuran kristal yang dihasilkan akan Persamaan Debye Schrerrer menunjukkan bahwa nilai ukuran kristal yang dihasilkan akan berbanding
berbanding terbalik terbalik dengan dengan nilai nilai FWHM, FWHM, sedangkan sedangkan nilai nilai FWHM FWHM dipengaruhi dipengaruhi oleh oleh intensitasintensitas masing-masing bidang kristal, dimana semakin tinggi intensitas maka nilai FWHM semakin kecil. masing-masing bidang kristal, dimana semakin tinggi intensitas maka nilai FWHM semakin kecil. Dalam paper ini perhitungan ukuran kristal dilakukan pada lapisan tipis PZT, hasil perhitungan Dalam paper ini perhitungan ukuran kristal dilakukan pada lapisan tipis PZT, hasil perhitungan diperoleh ukuran kristal sebesar 22,22 nm.
diperoleh ukuran kristal sebesar 22,22 nm.
Kata kunci: Ukuran Kristal, persamaan Debye Scherrer, XRD. Kata kunci: Ukuran Kristal, persamaan Debye Scherrer, XRD.
PENDAHULUAN PENDAHULUAN
Penentuan karakter struktural material, Penentuan karakter struktural material, baik
baik dalam dalam bentuk bentuk pejal pejal atau atau partikel,partikel, kristalin atau amorf, merupakan kristalin atau amorf, merupakan kegiatan inti dalam ilmu material. kegiatan inti dalam ilmu material. Pendekatan umum yang diambil adalah Pendekatan umum yang diambil adalah meneliti material dengan berkas radiasi meneliti material dengan berkas radiasi atau partikel berenergi tinggi. Radiasi atau partikel berenergi tinggi. Radiasi bersifat
bersifat elektromagnetik elektromagnetik dan dan dapatdapat bersifat
bersifat monokromatik monokromatik maupunmaupun polikromatik.
polikromatik. Dengan Dengan memanfaatkanmemanfaatkan hipotesa de Broglie mengenai dualitas hipotesa de Broglie mengenai dualitas frekuensi radiasi dan momentum frekuensi radiasi dan momentum partikel, maka gagasan tentang pan partikel, maka gagasan tentang panjangjang
gelombang dapat diterapkan dalam gelombang dapat diterapkan dalam eksitasi elektron.
eksitasi elektron.
Sinar X adalah suatu radiasi Sinar X adalah suatu radiasi elektromagnetik dengan panjang elektromagnetik dengan panjang ggelombang (λ ≈ 0,1 nm) yang lebihelombang (λ ≈ 0,1 nm) yang lebih
pendek dari panjang ge
pendek dari panjang gelombang cahayalombang cahaya
tampak (λ = 400 –
tampak (λ = 400 – 800 nm). Apabila 800 nm). Apabila
elektron ditembak dengan cepat dalam elektron ditembak dengan cepat dalam suatu ruang vakum maka akan suatu ruang vakum maka akan dihasilkan sinar X. Radiasi yang dihasilkan sinar X. Radiasi yang dipancarkan dapat dipisahkan menjadi dipancarkan dapat dipisahkan menjadi dua komponen yaitu (a) spektrum dua komponen yaitu (a) spektrum kontinu dengan rentang panjang kontinu dengan rentang panjang gelombang yang lebar dan (b) gelombang yang lebar dan (b) spektrum garis sesuai karakteristik spektrum garis sesuai karakteristik
logam yang ditembak [1]. Gejala logam yang ditembak [1]. Gejala interferensi dan difraksi adalah hal interferensi dan difraksi adalah hal umum dalam bidang cahaya. umum dalam bidang cahaya. Percobaan fisika dasar standar untuk Percobaan fisika dasar standar untuk menentukan jarak antar kisis dilakukan menentukan jarak antar kisis dilakukan dengan mengukur sudut berkas difraksi dengan mengukur sudut berkas difraksi dari cahaya yang diketahui panjang dari cahaya yang diketahui panjang gelombangnya. Persyaratan yang harus gelombangnya. Persyaratan yang harus dipenuhi adalah kisi bersifat periodi dipenuhi adalah kisi bersifat periodi dan panjang gelombang cahaya dan panjang gelombang cahaya memiliki orde yang sama dengan jarak memiliki orde yang sama dengan jarak kisi yang akan ditentukan.
kisi yang akan ditentukan.
Percobaan ini secara langsung Percobaan ini secara langsung dapat dikaitkan dengan penerapan sinar dapat dikaitkan dengan penerapan sinar X untuk menentukan jarak kisi dan X untuk menentukan jarak kisi dan jarak
jarak antar antar atom atom dalam dalam kristal.kristal. Pembahasan difraksi kisi kristal dengan Pembahasan difraksi kisi kristal dengan kisi
kisi – – kisi tiga dimensional cukup kisi tiga dimensional cukup
rumit, namun Bragg
rumit, namun Bragg
menyederhanakannya dengan menyederhanakannya dengan menunjukkan bahwa difraksi ekivalen menunjukkan bahwa difraksi ekivalen dengan pemantulan simetris oleh dengan pemantulan simetris oleh berbagai
berbagai bidang bidang kristal, kristal, asalkanasalkan persyaratan terten
persyaratan tertentu dipenuhi.tu dipenuhi.
Pemanfaatan metode difraksi Pemanfaatan metode difraksi memegang peranan penting untuk memegang peranan penting untuk analisis padatan kristalin. Selain untuk analisis padatan kristalin. Selain untuk meneliti ciri utama struktur, seperti meneliti ciri utama struktur, seperti parameter kisi
nλ = 2d sin θ (1.1)
juga dimanfaatkan untuk mengetahui susunan berbagai jenis atom dalam kristal, kehadiran cacat, orientasi, dan ukuran butir. Ukuran Kristal lapisan tipis PZT dihitung dari hasil XRD dengan merujuk pada puncak-puncak pola difraktometer melalui persamaan
Debye Scherrer.
KAJIAN PUSTAKA
Difraksi sinar-X merupakan suatu teknik yang digunakan menentukan sistem kristal (kubus, tetragonal, ortorombik, rombohedral, heksagonal, monoklin, triklin), kualitas kristal (kristal tunggal, polikristalin, dan amorf), simetri kristal, menentukan cacat kristal, mencari parameter kristal (parameter kisi, jarak antar atom, jumlah atom per unit sel), identifikasi campuran dan analisis kimia [4]. Prinsip kerjanya yaitu ketika sinar-X yang monokromatik jatuh pada sebuah kristal maka sinar-X tersebut akan dihamburkan ke segala arah, tetapi karena ada keteraturan letak atom-atom dalam kristal maka pada arah tertentu saja gelombang hambur akan berinterferensi konstruktif dan pada arah lainnya akan berinterferensi destruktif [1]. Atom-atom dalam kristal dapat dipandang sebagai unsur yang membentuk keluarga bidang datar yang mempunyai jarak karakteristik antara bidang [3]. Syarat yang diperlukan agar berkas yang sejajar ketika dihamburkan atom-atom kristal akan berinterferensi konstruktif adalah memiliki beda jarak lintasan
tepat nλ, dimana selisih jarak antara 2
berkas sejajar adalah 2d sin θ , dan
memenuhi persamaan Bragg.
Keterangan:
λ = panjang gelombang sinar -X (Å) d = jarak antar kisi (Å)
θ = sudut difraksi (derajat) n = 1,2,3, dst. (orde difraksi)
Sampel untuk analisis XRD dapat berupa bubuk, padatan, lapisan tipis, atau pita. Jumlah minimum sampel yang diperlukan hanya beberapa miligram namun dengan jumlah yang besar (gram) maka akan didapatkan keakuratan yang lebih baik. Metode XRD merupakan metode non destruktif, artinya sampel tidak rusak padat saat dianalisis dan dapat dipergunakan untuk analisis yang lainya.
Hasil analisis dengan XRD adalah berupa difraktogram yang berupa susunan garis atau puncak dengan intensitas dan posisi berbeda- beda yang spesifik pada material yang dianalisis. Tiap fase kristalin mempunyai susunan difraktogram yang karakteristik, maka dapat digunakan sebagai sidik jari untuk uji identifikasi [3]. Penentuan kesesuaian struktur kristal yang terbentuk dilakukan dengan mencocokkan setiap puncak yang muncul pada difraktogram pada nilai sudut 2θ dan d
tertentu hasil analisis dengan data dari JCPDS ( Joint Committee Powder Diffraction Standar ) sehingga
diperoleh informasi orientasi bidang kristal yang terbentuk. Jika semua orientasi bidang kristal teridentifikasi dipastikan struktur kristal terdapat kesesuain.
Difraksi sinar X dapat digunakan untuk menentukan ukuran kristal (crystallite size) dengan fase
tertentu [3]. Penentuannya merujuk pada puncak-puncak utama pola difraktogram melalui pendekatan persamaan Debye Scherrer yang
(1.2)
(1.3)
Hasil modifikasi persamaan Debye Scherrer digunakan untuk menentukan satu nilai ukuran kristal [2]. Persamaan modifikasi Debye Scherrer dirumuskan sebagai berikut:
Keterangan:
D = ukuran kristal
K = faktor bentuk dari kristal (0,9-1) λ = panjang gelombang dari sinar-X (1,54056 Å)
β = nilai dari Full Width at Half Maximum (FWHM) (rad)
θ = sudut difraksi (derajat)
METODE PENELITIAN
Karakterisasi struktur kristal lapisan tipis PZT diobservasi dengan XRD pada sudut 2θ = 15o- 80o, dengan sumber sinar X dari
logam tembaga (Cu) dengan panjang
gelombang (λ) K α1 sebesar 0,15406 nm.
Hasil XRD diperoleh difraktogram yang hasilnya dibandingkan dengan difraktogram PZT standar dari JCPDS no 33-784 untuk PZT. Perhitungan ukuran kristal dihitung dengan menggunakan persamaan (1.3) dengan nilai panjang
gelombang, intensitas, 2θ , dan FWHM
yang dihasilkan dari uji XRD.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 1 menunjukkan difraktogram lapisan tipis PZT. Puncak-puncak yang muncul semua teridentifikasi dan terdapat kesesuaian dengan data standar dari JCPDS No. 33-784 yang mengindikasikan bahwa struktur perovskit dari PZT dengan orientasi bidang kristal (001), (110), (111), (200), (201) & (210), (211), (002), dan (310) yang spesifik untuk struktur kristal perovskit PZT. Munculnya sebaran orientasi bidang kristal menunjukkan bahwa serbuk PZT yang dihasilkan
memiliki struktur polikristalin.
Gambar 1 Difraktogram lapisan tipis PZT
2 θ komposisiZr/Ti
orientasi bidang
kristal
1/cosθ FWHM (β) rad ln 1/cosθ (x) ln β (y) 22,17644 50:50 100 1,018421872 0,007679 -4,86928 0,018254 31,20162 110 1,037784671 0,004538 -5,39537 0,037088 38,46446 111 1,058814485 0,006981 -4,96459 0,057150 44,76889 200 1,079252188 0,011169 -4,49459 0,076268 50,42724 201,210 1,103466935 0,015358 -4,17613 0,098457 55,81587 211 1,128667079 0,006283 -5,06995 0,121037 64,94961 022 1,182987094 0,011169 -4,49459 0,168043 D = ln β = ln = ln + ln
Ukuran kristal dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (1.3) dengan nilai panjang gelombang, intensitas, 2θ , dan FWHM yang telah
dihasilkan dari uji XRD. Persamaan Debye Schrerrer menunjukkan bahwa nilai ukuran kristal yang dihasilkan akan berbanding terbalik dengan nilai FWHM, sedangkan nilai FWHM dipengaruhi oleh intensitas masing-masing bidang kristal, dimana semakin tinggi intensitas maka nilai FWHM semakin kecil. Berdasarkan persamaan 1.3 dibuat grafik hubungan ln (1/cosθ ) sebagai sumbu x dan ln β sebagai
sumbu y sehingga diperoleh nilai intersep yang nilainya sama dengan ln (Kλ/D), maka nilai ukuran kristal (D) = (Kλ /e(nilai
intersep)).
Perhitungan nilai (ln 1/cos θ ) dan (ln β) hasil analisis XRD lapisan tipis PZT
pada semua orientasi bidang kristal ditunjukkan pada tabel berikut:
Dari persamaan modifikasi Debye Schrerrer pada tabel 1 dibuat grafik hubungan ln (1/cos θ ) sebagai sumbu x dan ln β sebagai sumbu y sehingga diperoleh
nilai intersep yang nilainya sama dengan ln
(Kλ/D) seperti ditunjukkan pada Gambar
2, dan nilai ukuran kristal (D) didapatkan
hubungan D = (Kλ /e(nilai intersep)). Dari
grafik diperoleh nilai intersep sebesar -5,088 dan nilai K = 0,89 serta λ=
0,15406 nm. Dari hubungan nilai intersep,
nilai K dan λ maka dapat dihitung ukuran
Kristal.
Hubungan antara ukuran Kristal, nilai intersep, K dan λ ditunjukkan oleh
persamaan di bawah ini:
Ukuran Kristal (D) = =
= = 22,22 nm
Hasil perhitungan ukuran kristal lapisan tipis PZT menunjukkan ukuran kristal sebesar 22,22 nm.
Gambar 2 Grafik hubungan ln (1/cos θ ) versus ln β
KESIMPULAN
Sebagai kesimpulan, paper ini telah mendemonstrasikan perhitungan ukuran kristal dengan menggunakan persamaan Debye Scherrer untuk lapisan tipis PZT. Nilai panjang gelombang, intensitas, 2θ ,
dan FWHM dihasilkan dari uji XRD. Dari persamaan modifikasi Debye Schrerrer dibuat grafik hubungan ln (1/cos θ ) sebagai sumbu x dan ln β sebagai sumbu y
sehingga diperoleh nilai intersep yang
nilainya sama dengan ln (Kλ/D), dan nilai
ukuran kristal (D) didapatkan hubungan
(D) = (Kλ /e(nilai intersep)). Dari hubungan nilai intersep, nilai K dan λ maka dapat
dihitung ukuran Kristal (D). Hasil perhitungan ukuran kristal lapisan tipis PZT menghasilkan ukuran kristal sebesar 22,22 nm.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Cullity, B.D. dan Stock, S.R, 2001.
El ement of X-Ray Dif fr action . Third
Edition, New Jersey : Prentice Hall. [2] Monshi, Ahmad., Mohammad, R. F.,
Mohammad, R. M., 2012. Modified Scher r er Eqquation to Estim ate M ore Accurately Nano-Crystallite Size Using XRD . World Journal of Nano
Science and Engineering, Vol. 2, pp. 154-160.
[3] West, Anthony. R., 1989. Soli d State Chemistr y and I ts Appli cation . New
York: John Wiley and Sons.
[4] Zakaria, 2003. Analisis Kandungan Mineral Magnetik pada Batuan Beku dari Daerah Istimewa Yogyakarta dengan Metode X-Ray Difraction. Fakultas Keguruan dan
Ilmu Pendidikan, Kendari: Universitas Haluoleo.
